(57)【要約】【課題】  システム外に排出するガス中の水素量を低減でき、小型化も容易な燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池、および前記燃料電池に連結された水素供給源を有する燃料電池発電システムであって、燃料電池内のガスを、燃料電池発電システム外に排出するための排気手段を備えており、前記排気手段は、燃料電池内のガスを燃料電池外に間欠的に排出するためのパージバルブと、燃料電池から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置とを有することを特徴とする燃料電池発電システムにより、前記課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池、および前記燃料電池に連結された水素供給源を有する燃料電池発電システムであって、
燃料電池内のガスを、燃料電池発電システム外に排出するための排気手段を備えており、
前記排気手段は、燃料電池内のガスを燃料電池外に間欠的に排出するためのパージバルブと、燃料電池から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
パージバルブと水素消費装置との間に、燃料電池から排出されたガス中に含まれる水を回収するための水回収手段を有している請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
水素消費装置は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物、および正極と負極とを接続する抵抗を備えている請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料電池が複数の電極・電解質一体化物を有しており、その一部が水素消費装置として使用される請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
水素消費装置は、水素を酸化し得る触媒を有している請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
燃料電池内の圧力を測定するための圧力センサを有しており、前記圧力センサにより得られた圧力情報に基づいて、パージバルブの開閉動作を制御する請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
燃料電池による発電の終了時に、水素供給源から排出された水素を、燃料電池へ送らずに水素消費装置へ直接供給できる請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
燃料電池による発電の終了時に、燃料電池の水素供給口から燃料電池内に空気を取り込みつつ、燃料電池の有する電極・電解質一体化物の正極と負極とを短絡させて燃料電池内の水素を消費できる請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
水素供給源が、水素発生物質と水との反応により発生する水素を供給する機構を有する水素製造装置である請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
水素発生物質が、金属水素化物である請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
水素発生物質が、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムおよびこれらの１種以上の元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属である請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記水回収手段により回収された水を、水素発生物質との反応に供する機構を有している請求項９〜１１のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
燃料電池による発電の終了時に、燃料電池の水素供給口から燃料電池内に水を供給して、燃料電池内の水素を置換できる機構を有している請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
燃料電池に供給する水を、水素供給源または前記水回収手段から供給できる請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システム外に排出するガス中の水素量を低減できる燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池には、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。
【０００３】
前記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。
【０００４】
そして、ＰＥＦＣは、空気中の酸素を還元する正極（カソード）と、水素を酸化する負極（アノード）と、これら正極と負極との間に配置される固体高分子電解質膜とで構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有しており、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。
【０００５】
ところで、ＰＥＦＣでは、発電に伴って生成する水や正極に取り込まれた空気中の不純ガスが負極側に蓄積することによって発電性能が低下する。そのため、一般的なＰＥＦＣでは、前記の不純ガスや生成水を適時外部に排出するためのバルブなどが設けられている。
【０００６】
ところが、負極では、供給された水素の全てが発電で消費されるとは限らないため、不純ガスや生成水と共に、残存している水素もＰＥＦＣ外へ排出されてしまう。例えば、負極には、発電に必要な量を上回る量の水素を供給し、その供給圧力を利用して生成水をＰＥＦＣ外へ排出することが行われることもあるが、このような場合には、負極に供給した水素が比較的多く残存するため、前記の不純ガスや生成水と共にＰＥＦＣ外に排出される水素量も多くなる。
【０００７】
ＰＥＦＣの用途は、例えば前記のように、小型のコードレス機器の電源用途などが想定されているが、このような機器は比較的狭い空間内で使用されることが多い。そのため、ＰＥＦＣ内から排出されるガスに含まれる水素量は、できる限り少ないことが好ましい。
【０００８】
例えば、特許文献１には、燃料電池内から水素を排出するにあたり、空気で希釈して、水素量を可燃濃度以下に低下させる方法が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−６１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に記載の方法では、ＰＥＦＣが例えば屋外で使用される場合には有効である一方で、パソコンや携帯電話などのコードレス機器などの電源としてＰＥＦＣを用いる場合には、前記の通り、限られた空間内で使用することも想定されるため、使用時間の経過に伴って空間内で水素の蓄積が起こる虞もある。また、排出する水素濃度を十分に低下させるためには、希釈のための機構が非常に大掛かりになり、ＰＥＦＣの小型化が困難となって、前記のコードレス機器などの電源用途には適さなくなる。
【００１１】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システム外に排出するガス中の水素量を低減でき、小型化も容易な燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成し得た本発明の燃料電池発電システムは、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）を備えた燃料電池、および前記燃料電池に連結された水素供給源を有する燃料電池発電システムであって、燃料電池内のガスを、燃料電池発電システム外に排出するための排気手段を備えており、前記排気手段は、燃料電池内のガスを燃料電池外に間欠的に排出するためのパージバルブと、燃料電池から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置とを有することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池内のガスをシステム外に排出するための排気手段にパージバルブを設置している。そのため、燃料電池内の圧力がある程度高まった段階でのみ排気流路が開くので、前記ガスの燃料電池内からの排出が間欠的となり、連続的にガス排出を行う従来のシステムに比べると、発電に利用されずに排出される水素の量を低減することができる。
【００１４】
更に、本発明の燃料電池発電システムでは、排気手段が水素消費装置を備えているため、燃料電池から排出されたガスに含まれる水素の殆どまたは全てを、水素消費装置によって消費してから、前記ガスをシステム外に排出できる。
【００１５】
本発明の燃料電池発電システムでは、排気手段に備えられたパージバルブおよび水素消費装置における前記の作用によって、システム外に排出するガス中の水素量を低減できる。
【００１６】
しかも、本発明の燃料電池発電システムに係る排気手段では、簡素な構成で前記の効果を確保できるため、システムの小型化も容易である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、システム外に排出するガス中の水素量を低減でき、小型化も容易な燃料電池発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に、本発明の燃料電池発電システムの一例の概略図を示す。図１中、５００は燃料電池であり、電気的に直列に接続された複数のＭＥＡ（図示しない）を有している。６００は、燃料電池５００へ燃料である水素を供給するための水素供給源である。水素供給源６００は、水素発生物質６０４を収容した水素発生容器６０３と、水６０２を収容した水容器６０１とを有している水素製造装置である。水容器６０１からポンプ２０１を用い配管１０１、１０２を通じて水６０２を水素発生容器６０３に供給すると、水素発生物質６０４と水６０２との反応によって水素が発生し、この水素が、配管１０３、水トラップ（凝縮水分離器）８０１、配管１０４、１０５、１０６を通じて燃料電池５００へ供給される。
【００１９】
５０１は送風ファンであり、燃料電池５００の正極への空気の供給、水素消費装置９００への空気の供給および燃料電池５００の冷却のためのものである。また、図１中の矢印は、送風ファン５０１により送られる空気の流れの方向を示している（後記の図４および図５においても、同じである。）。本発明の燃料電池発電システムにおいて、送風ファン５０１は必須の構成要素ではないが、燃料電池発電システムは送風ファン５０１を有していることが好ましい。
【００２０】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池内のガスをシステム外に排出するための排気手段を有しており、排気手段は、燃料電池内のガスを燃料電池外に間欠的に排出するためのパージバルブと、燃料電池から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置とを少なくとも備えている。
【００２１】
図１に示す燃料電池発電システムに係る排気手段は、配管１０７、圧力センサ４００、パージバルブ３１０、配管１０９、水容器６０１、配管１１０、水素消費装置９００、配管１１４により構成されている。
【００２２】
図１に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池５００による発電に伴って、燃料電池５００の負極側にガス（発電に関与しなかった残留水素および発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス）や生成水が蓄積するが、これらによって燃料電池５００内（および配管１０７内）の圧力がある程度高まった時点で、パージバルブ３１０によって前記のガスや生成水を配管１０９側に排出できる。このように、パージバルブ３１０の作用によって、燃料電池５００内のガスや生成水を間欠的に燃料電池５００外に排出できるため、例えば、水素供給源から供給する水素のうち、発電に必要な量を上回る分を低減しても、生成水を良好に排出できるため、ガス中に含まれる水素量を減らすことができる。
【００２３】
なお、図１に示すシステムでは、圧力センサ４００を備えており、この圧力センサ４００によって配管１０７内の圧力を測定しながら、適時パージバルブ３１０を開いて、燃料電池５００からのガスや生成水を配管１０９側へ排出できる。このように、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池５００の負極側の圧力を圧力センサ４００で測定し、これにより得られた圧力情報に基づいて、パージバルブ３１０の開閉動作を制御することが好ましい。パージバルブは、燃料電池内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が５〜３００ｋＰａに達した段階で開閉動作を行うよう制御されるのが望ましい。差圧が５ｋＰａ未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が３００ｋＰａを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞が生じる。
【００２４】
前記のような構成とすることで、燃料電池内の圧力情報を測定しながら適性に発電を行うことができるため、圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを抑制できる。また、燃料電池の出力状態と圧力情報とを考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。
【００２５】
図１に示すシステムでは、燃料電池５００から排出されたガスや生成水は、配管１０９から、水素供給源６００の水容器６０１へ導入される。水容器６０１は、水トラップとしても作用するため、燃料電池５００から排出された生成水が水容器６０１で回収される。このように、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池から排出されたガス中に含まれる水（生成水）を回収するために、水トラップなどの水回収手段を、パージバルブと水素消費装置との間に備えていることが好ましい。このような構成とすることで、燃料電池から排出されたガスから生成水を除去した上で、前記ガスを水素消費装置に供給できるため、水素消費装置内で生成水が溜まることによる水素消費効率の低下を抑制することができ、より効率的な水素除去が可能となる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池発電システムでは、水回収手段により回収した燃料電池内の生成水を、水素発生物質との反応（すなわち、水素の製造）に利用することが好ましい。図１のシステムでは、水素供給源６００の水容器６０１が水回収手段を兼ねているため、燃料電池５００から排出された生成水を、水素製造用の水として利用することができる。このような構成とすることで、システムをコンパクトにすることができると共に、エネルギーの利用率を高めることができる。
【００２７】
図１に示すシステムでは、水容器６０１によって水（生成水）が除去されたガス（燃料電池５００から排出されたガス）が、配管１１０を通じて水素消費装置９００に導入される。図１の水素消費装置９００はＭＥＡを有しており（図示しない）、燃料電池５００の有するＭＥＡによる発電と同じ機構によって、ガス中の水素を消費する。水素消費装置９００に連結されている配管１１４は外気と接しており、水素消費装置９００によって水素が除去されたガスは、配管１１４を通じてシステム外に排出される。なお、図１に示すシステムでは、配管１１４の出口が、送風ファン５０１からの送風が当たるように配置しているため、水素消費装置で処理しきれずに僅かに水素が残留していても、希釈しつつシステム外に排出することができる。
【００２８】
なお、燃料電池では、一般に、発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、劣化が生じる。この原因は定かではないが、この場合、電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正負極の炭素や触媒（詳しくは後述する）が酸化するためではないかと推測される。よって、燃料電池発電システムでは、発電の終了時に、燃料電池内への水素の侵入を防止できるように構成されていたり、燃料電池内に残留する水素を除去できるように構成されていたりすることが好ましい。
【００２９】
図１に示すシステムでは、水素供給源６００からの水素を燃料電池へ導入するための配管１０４と配管１０５との間に三方形弁３０２が設けられており、この三方形弁３０２は配管１１１とも接続しており、更に、この配管１１１は、水容器６０１と水素消費装置９００との間に設置された配管１１０に接続している。そのため、燃料電池５００の発電終了時に、三方形弁３０２を作動させて、水素供給源６００からの水素を、燃料電池５００に送らずに、配管１１１、１１０を通じて水素消費装置９００に直接供給し、処理することができる。これにより、図１に示すシステムでは、燃料電池５００による発電の終了時に、燃料電池５００内への水素の侵入を防止して、かかる水素による燃料電池５００の劣化を抑制することができる。
【００３０】
また、図１に示すシステムでは、水素供給源６００の水容器６０１と水素発生容器６０３とを接続する配管１０１、１０２に三方形弁３０１が接続されており、この三方形弁３０１は、配管１１２とも接続されている。更に、配管１１２は、三方形弁３０３を介して、水素供給源６００から燃料電池へ水素を供給するための配管１０５および配管１０６とも接続されている。そのため、燃料電池５００の発電終了時に、三方形弁３０１、３０３を作動させ、更にパージバルブ３１０を作動させて、水容器６０１内の水を配管１１２および配管１０６を通じて、燃料電池５００内に供給できる。これにより、図１に示すシステムでは、燃料電池５００による発電の終了時において、燃料電池５００内に残留している水素を水で置換することができるため、かかる水素が燃料電池５００内に残留することによる燃料電池５００の劣化も抑制できる。
【００３１】
また、前記のように、燃料電池５００による発電の終了時において、燃料電池５００内に水を貯留することができるため、燃料電池５００の有するＭＥＡ中の固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つことが可能となる。一般に、固体高分子形燃料電池では、長時間停止していると、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうが、このような状態となると、再起動時に発電による自己湿潤が必要となり、出力の立ち上がりに時間を要するようになる。しかしながら、図１に示すシステムでは、前記の通り、燃料電池５００による発電の終了時に、燃料電池５００内を水で満たすことができるため、固体高分子電解質膜の乾燥を防いで、再起動時に初期から高い出力を発揮することが可能となる。
【００３２】
更に、図１に示すシステムでは、発電の終了時に燃料電池５００内に供給する水を、水素供給源６００の水容器６０１から供給できるため、別途水容器などを備える必要がなく、コンパクトなシステムとすることができる。また、発電の終了時に燃料電池内に供給する水は、前記水回収手段（水トラップ）から直接供給してもよい。
【００３３】
図２は、本発明の燃料電池発電システムにおける燃料電池５００の一例の要部断面を示す模式図である。ただし、図２においては、各構成要素の理解を容易にするため、一部の構成要素については断面であることを示す斜線を省略している。なお、図２においては、３つのＭＥＡ５１０が組み合わさって一つの燃料電池５００を構成している状態を示しているが、これは一例であり、一単位としての燃料電池におけるＭＥＡの数は３つに限定されず、また、複数のＭＥＡから構成される一単位の燃料電池を、複数接続して全体を一つの燃料電池とすることもできる。
【００３４】
図２の燃料電池５００では、正極拡散層５１１および正極触媒層５１２からなる正極と、固体高分子電解質膜５１３と、負極拡散層５１５および負極触媒層５１４からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ５１０を３個有しており、これらのＭＥＡ５１０が平面状に配置されている。
【００３５】
それぞれのＭＥＡ５１０の正極側には、正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂ、正極絶縁プレート５２２、および正極パネルプレート５２０が順次配置されている。また、それぞれのＭＥＡ５１０の負極側には、負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂ、負極絶縁プレート５２３、および負極パネルプレート５２１が順次配置されている。
【００３６】
そして、全てのＭＥＡ５１０が、正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１とに挟持されて一体化している。また、図２では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ５１０同士は、正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂと負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂとの電気的接続によって、直列に接続されている。
【００３７】
正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂ、正極絶縁プレート５２２および正極パネルプレート５２０には、燃料電池５００外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂの酸素導入孔、正極絶縁プレート５２２の酸素導入孔、および正極パネルプレート５２０の酸素導入孔により、正極パネルプレート５２０の外表面からＭＥＡ５１０の正極拡散層５１１にまで到達する正極開口部５３０が複数形成されており、これら正極開口部５３０から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層５１１に供給される構造となっている。
【００３８】
また、図２の燃料電池５１０では、負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂ、負極絶縁プレート５２３および負極パネルプレート５２１には、燃料タンク部５２９内の燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂの燃料導入孔、負極絶縁プレート５２３の燃料導入孔、および負極パネルプレート５２１の燃料導入孔により、負極パネルプレート５２１の燃料タンク部５２９側表面からＭＥＡ５１０の負極拡散層５１５にまで到達する負極開口部５３１が複数形成されており、これら負極開口部５３１から、燃料タンク部５２９内の燃料（水素）が負極拡散層５１５に供給される構造となっている。
【００３９】
図２の燃料電池５１０では、正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１（更には燃料タンク部５２９）は、ボルト５３２とナット５３３によって固定されている。図２中、５２８ａおよび５２８ｂはシールである。
【００４０】
正極拡散層５１１および負極拡散層５１５は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層５１１や負極拡散層５１５の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子など］を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００４１】
正極触媒層５１２は、正極拡散層５１１を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層５１２は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００４２】
正極触媒層５１２の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、前記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【００４３】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ２／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への前記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行なうことができる。
【００４４】
前記炭素粉末と前記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが前記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００４５】
正極触媒層５１２に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００４６】
正極触媒層５１２におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が前記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００４７】
正極触媒層５１２に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）およびポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などが用いることができる。
【００４８】
正極触媒層５１２におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが前記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００４９】
負極触媒層５１４は、負極拡散層を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
【００５０】
負極触媒層５１４に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した前記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る前記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した前記の各材料を用いることができる。
【００５１】
固体高分子電解質膜５１３は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜５１３を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜５１３の材料として用いることができる。
【００５２】
なお、図２では示していないが、燃料電池の有するＭＥＡは、正極と負極とを、例えば、抵抗およびスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように構成していることが好ましい。このような構成のＭＥＡを有する燃料電池発電システムでは、燃料電池による発電の終了時に、前記のスイッチを入れるなどしてＭＥＡに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素を消費することができる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００５３】
燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、前記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池発電システムに係る燃料電池の停止後、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００５４】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池に水素を供給するための水素供給源としては、図１に示すように、水素発生物質と水との反応により発生する水素を供給する機構を有する水素製造装置であることが好ましい。
【００５５】
図１に示すシステムに係る水素製造装置（水素供給源）６００は、前記の通り、水素発生容器６０３と水容器６０１とを有している。水素発生容器６０３は水素発生物質６０４を収容しており、ここに水容器６０１から水６０２を供給し、水素発生容器６０３内で水素発生物質６０４と水６０２とを反応させて水素を製造する。水素発生容器６０３で発生した水素は、配管１０３、１０４、１０５、１０６からなる燃料流路を経て燃料電池５００に供給される。
【００５６】
水容器６０１から水素発生容器６０３に水を供給するための配管１０１、１０２には、水供給ポンプ２０１が設けられている。なお、水容器６０１に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００５７】
水素発生容器６０３および水容器６０２は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生容器６０３内の水素発生物質が消費されつくしたり、水容器６０２内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質が充填された水素発生容器６０３や水が充填された水容器６０２を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。
【００５８】
水素発生容器６０３に収容される水素発生物質としては、特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものが望ましい。例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属；アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムより選ばれる１種以上の元素を５０質量％以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有する合金；金属水素化物；などが好適に使用できる。
【００５９】
なお、前記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、反応性を高めるためには、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質粒子の平均粒径は、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。また、粒子形状は、反応効率を高めるためにフレークであることが好ましい。粒径が小さすぎると、嵩密度が小さくなり、充填密度が低下するだけでなく、取り扱いが困難になるため、水素発生物質の粒径は、０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【００６０】
平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックＨＲＡ」などを用いることができる。
【００６１】
また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばＰｔ、Ｎｉなどの金属や酸などを用いることができる。
【００６２】
水素発生物質は、前記例示のものを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００６３】
前記の水素発生物質は、水との反応性を高めるため、水と混合された状態で加熱してもよく、加熱された水を供給してもよい。
【００６４】
また、前記の水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）と共に用いることにより、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、前記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。
【００６５】
水と反応して発熱する発熱物質は、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などを例示することができる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、前記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、前記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。
【００６６】
特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、前記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として前記の金属水素化物を用いる場合には、前記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、更に水素発生速度を高めてもよい。
【００６７】
水素発生容器６０３は、水素を発生させる水素発生物質を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水の供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水および水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
【００６８】
水容器６０１については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【００６９】
水容器６０１中の水が、配管１０１、１０２を通じて水素発生容器６０３に供給されることで、水素発生容器６０３内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生容器６０３内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が配管１０３などからなる燃料流路を通じて燃料電池５００に流入する場合がある。
【００７０】
よって、水素製造装置（水素供給源）６００には、燃料電池に水素を供給する燃料流路の途中に、凝縮水分離器（水トラップ）８０１を設けることが好ましい。図１に示すように、水素発生容器６０３から排出される水素ガスは、配管１０３を通って凝縮水分離器８０１に導入される。この間、水素ガスに含まれる水分は、配管１０３内で冷却され凝縮水となる。凝縮水は、重力によって凝縮水分離器８０１の下部に落下するため、水素ガスを水と分離することができる。分離された水素ガスは、配管１０４などを通じて燃料電池５００に供給される。
【００７１】
また、図１に示すように、凝縮水分離器８０１と水容器６０１とを水回収用配管１１３で連結すれば、凝縮水分離器８０１で分離した水を水容器６０１に回収することができる。分離した水を回収することにより、水素発生のために供給する水の効率的な利用が可能となり、水容器６０１をよりコンパクトにすることができる。なお、凝縮水分離器８０１と水容器６０１とを連結する水回収用配管１１３には、図１に示すように、水を送り出すためのポンプ２０２を設置してもよい。
【００７２】
燃料電池発電システムに係る水素消費装置は、システム内の水素を消費して除去できるものであれば特に制限はないが、例えば、ＭＥＡを有し、燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。
【００７３】
図３に、ＭＥＡを有する水素消費装置の一例を模式的に示す。なお、図３では、水素消費装置９００のみを断面で示しているが、水素消費装置９００の各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。
【００７４】
図３に示す水素消費装置は、正極と負極とを導通可能にしたＭＥＡ９１０により構成されている。ＭＥＡ９１０は、酸素を還元する正極触媒層９１２と、水素を酸化する負極触媒層９１４とを有しており、更に、正極触媒層９１２と負極触媒層９１４との間に固体高分子電解質膜９１３を備えている。また、正極触媒層９１２の固体高分子電解質膜９１３側の面の反対面には、積層された正極拡散層９１１を有しており、負極触媒層９１４の固体高分子電解質膜９１３側の面の反対面には、積層された負極拡散層９１５を有している。これらは図２で説明した燃料電池５００に係るＭＥＡ５１０と同様の材料で構成することができる。
【００７５】
そして、ＭＥＡ９１０は、正極拡散層９１１の上部に配置された正極集電板９２１と、負極拡散層９１５の下部に配置された負極集電板９２２とで挟持されており、正極集電板９２１と負極集電板９２２とは、例えばボルト９２９とナット９３０により固定されている。なお、９２３はシリコンゴムなどからなるシール材であり、９２４はタンク部（水素タンク部）である。
【００７６】
そして、水素消費装置９００は、水素消費装置９００によって水素を除去した残りのガスをシステム外に排出するための配管１１４、および水素を含むガスを水素消費装置９００に導入するための配管１１０と接続されている。
【００７７】
正極集電板９２１および負極集電板９２２は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成されている。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
【００７８】
正極集電板９２１には複数の空気孔９２１ａが形成されており、これら空気孔９２１ａを通じて大気中の酸素がＭＥＡ９１１の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板９２２には複数の水素導入孔９２２ａが形成されており、これら水素導入孔９２２ａを通じて配管１１０からタンク部９２４へ導入された水素を含むガスがＭＥＡ９１０の負極に供給される。
【００７９】
正極集電板９２１の端部には正極リード線９２５が、負極集電板９２２の端部には負極リード線９２６が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線９２５、９２６は、抵抗９２７およびスイッチ９２８を介して接続されている。そして、水素消費装置９００によってガス中の水素を消費する必要が生じた場合に、スイッチ９２８を入れ、ＭＥＡ９１０の正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池５００内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池５００による発電の終了時に、水素供給源６００から燃料電池５００内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。
【００８０】
なお、図３に示す水素消費装置９００では、ＭＥＡ９１０の正極と負極とを、抵抗９２７を介して接続しているが、かかる抵抗９２７としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、ＭＥＡ９１０の正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗９２７を用いなくても、このような時間でＭＥＡ９１０の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡ９１０の正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００８１】
なお、水素消費装置は、前記の通り、燃料電池と同様にＭＥＡを備えているため、例えば、燃料電池に複数のＭＥＡを有するもの（スタック）を使用し、その一部のＭＥＡ（例えば、１つ）を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化した構成とすることもできる（図１には、燃料電池５００と水素消費装置９００とが一体となった構成を示している。）。このような構成とすることで、燃料電池発電システムの小型化がより容易となる。この場合、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは接続せず、また、水素消費装置で水素を除去したガスを効率よくシステム外に排気でき、かつ効率よく発電できるように、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは、互いに内部のガスが行き来できないように構成する。
【００８２】
図４に、本発明の燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図４に示す燃料電池発電システムの構成要素のうち、図１に示すシステムに係る構成要素と共通するものについては、符号を共通にして重複説明を避ける（後記の図５についても同様である）。図４に示す燃料電池発電システムは、水素供給源６００からの水素を燃料電池５００に供給するための配管１０５および配管１０６と接続された三方形弁３０３に、更に外気を取り込むための配管１１５が接続されている。そして、燃料電池５００による発電の終了時に、三方形弁３０３を作動させることによって、配管１１５を通じて燃料電池５００の水素供給口から、その内部に空気を取り込むことができるように構成している。また、図示していないが、燃料電池５００内のＭＥＡは、前記のように、正極と負極とが導通可能なように構成されており、燃料電池５００内に空気を取り込むと共に、正極と負極とを短絡させて、燃料電池５００内に残留している水素を消費できる。
【００８３】
図４に示す燃料電池発電システムでは、前記の燃料電池５００の水素供給口から、その内部に空気を取り込むことによる作用と、燃料電池５００のＭＥＡの正極と負極とを短絡させることによる作用とによって、燃料電池による発電の終了時に、燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００８４】
図５に、本発明の燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図５に示す燃料電池発電システムは、水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置９００を備えた例である。水素消費装置９００は、送風ファン５１０から送られる空気を取り込むことのできる位置に配されており、小さなスペースで効率よく水素を消費できるように構成されている。そのため、図５に示す構成の燃料電池発電システムによっても、その小型化が容易である。
【００８５】
水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、前記触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に前記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、ＭＥＡの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。
【００８６】
なお、これまで、図１〜図５を用いて本発明の燃料電池発電システムを説明したが、図１〜図５は、本発明の燃料電池発電システムおよび該システムに使用可能な構成要素の一部を示したものに過ぎず、本発明の燃料電池発電システムは、これら図１、図４および図５に示すものや、図２および図３に示す構成要素を有するものに限定される訳ではない。
【００８７】
以上の通り、本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池内のガスをシステム外に排出するにあたり、前記ガス中の水素量を低減することができ、また、システムの小型化が容易である。よって、本発明の燃料電池発電システムは、パソコン、携帯電話などのコードレス機器といった高機能のポータブル型電子機器の電源用途をはじめとして、従来の燃料電池が使用されている各種用途に好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一例を示す概略図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムに用い得る燃料電池の一例を示す断面模式図である。
【図３】本発明の燃料電池発電システムに用い得る水素消費装置の一例を示す一部断面模式図である。
【図４】本発明の燃料電池発電システムの他の例を示す概略図である。
【図５】本発明の燃料電池発電システムの他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００８９】
３１０  パージバルブ
５００  燃料電池
６００  水素供給源
９００  水素消費装置
【図１】
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【図２】
2010033979.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010033979.tif 000006
【図５】
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